Ứng dụng vi sinh vật trong tái chế chất thải rắn nông nghiệp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

48
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày quá trình áp dụng sinh học vào tái chế chất thải rắn thải nông nghiệp tạo ra các sản phẩm có ích cho nông nghiệp và xã hội, góp phần phát triển nền nông nghiệp bền vững, bảo vệ môi trường.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng vi sinh vật trong tái chế chất thải rắn nông nghiệp

JSLHU JOURNAL JOURNAL OF SCIENCE OF SCIENCE JSLHU OF LAC HONG UNIVERSITY https://tapchikhdt.lhu.edu.vn OF LAC HONG UNIV ERSITY T p chí Khoa h c L c Hhttp://tapchikhdt.lhu.edu.vn ng T p chí Khoa h c L c H ng 2019, 7, 001-001 NG D NG VI SINH V T TRONG TÁI CH CH T TH I R N NÔNG NGHI P Applying microorganism for agricultural solid waste recycling Phan Th Ph m* Khoa K thu t Hóa h c v Môi Tr ng, Tr ng i h c L c H ng, ng Nai, Vi t Nam TÓM T T. Vi sinh v t có vai trò quan tr ng trong tái ch ch t th i r n nông nghi p. V i thành ph n ch y u là các h p ch t h u c ph c t p nh hydrat cacbon, protein, …ch t th i r n h u c t quá trình tr ng tr t và ch n nuôi c chuy n i thành phân h u c và n ng l ng sinh h c qua các quá trình phân h y sinh h c b i vi sinh v t nh th y phân, lên men,…. Do v y, áp d ng quá trình sinh h c là m t trong nh ng công ngh thân thi n v i môi tr ng, c áp d ng r ng rãi trong tái ch ch t th i r n h u c nông nghi p, t o ra các s n ph m có ích cho nông nghi p và xã h i, góp ph n phát tri n n n nông nghi p b n v ng. T KHÓA: Vi sinh v t; Ch t th i r n nông nghi p; Phân h u c ; Nhiên li u sinh h c ABSTRACT. Microorganisms play an important role in recycling agricultural organic solid waste. Structed mainly complex compounds such as carbohydrate compound, protein, etc., organic solid wastes from plantation and livestock are converted to compost and biofuel through biodegradation by microbes such as hydrolysis, fermentation, etc. Thus, using bioprocess is one of the most applied technology in recycling agricultural organic solid wastes, makes new useful products for agriculture and society, contributes for sustainable agricultural development. KEYWORDS: Microorganism; Agricultural solid waste; Compost; Biofuel 1. GI I THI U sinh v t tiêu th t th c ph m b n. Do ó, c n có bi n pháp h p lý gi i quy t v n này. S gia t ng dân s và thu nh p u ng i òi h i nhu c u Trong khi ó, trong t nhiên, ngoài các lo i vi khu n, n m, ngày càng cao v th c ph m nh g o, ng c c, th t, tr ng, vi rút có th gây b nh, nh h ng n s c kh e con ng i và s a,…Theo T ch c L ng th c và Nông nghi p Liên Hi p sinh v t thì c ng có nhi u VSV có ích. Nhi u VSV có th s Qu c (FAO), n n m 2050, dân s th gi i là 9,15 t ng i d ng tr c ti p các ch t th i h u c hay s n ph m th c p t [1], t ng 21,2% so v i hi n nay (n m 2017 là 7,55 t ng i). s phân gi i ch t th i h u c nh là c ch t cho s sinh Ngoài ra, c ng theo nghiên c u này, khi i s ng c nâng tr ng c a mình. K t qu c a quá trình trao i ch t c a cao, thu nh p u ng i t ng, nhu c u th c ph m tính trên VSV là c ch t ban u (ch t th i h u c ) bi n m t và các u ng i/ngày c ng t ng t 2750 kcal (n m 2005) n 3130 ch t khác c t o thành. Do s a d ng v ch ng lo i và kcal (n m 2050). Thêm vào ó, vi c s n xu t nhiên li u sinh c tính trao i ch t c a VSV, r t nhi u s n ph m trung gian h c th h th nh t t ng c c và tinh b t c ng nh các cây c ng nh cu i c a quá trình phân gi i ch t th i h u c c tr ng h d u hi n nay c ng òi h i m t l ng áng k m t t o thành và nhi u trong s các s n ph m này là có ích [4]. s s n ph m nông nghi p. Theo c tính, nhu c u th c ph m Hay nói cách khác, ch t th i h u c có th bi n i hay tái c a th gi i s t ng thêm kho ng 50 - 70% vào n m 2050 so ch thành các s n ph m m i, có ích nh ho t ng phân gi i v i 2005 [2]. Do v y, s n xu t nông nghi p ph i phát tri n c a VSV mà không c n dùng n các bi n pháp hóa lý, v n v c s l ng và ch t l ng áp ng nhu c u ngày càng c xem là các bi n pháp không thân thi n v i môi tr ng. t ng này. Nh v y, gi i quy t v n CTR nông nghi p phát sinh Tuy nhiên, i ôi v i s phát tri n nông nghi p là các nh h ng n m, vi c s d ng VSV tái ch CTR nông nghi p h ng n môi tr ng t ch t th i r n h u c phát sinh trong thành các s n ph m có ích là h ng gi i quy t hi u qu . quá trình s n xu t nông nghi p (CTR nông nghi p), c bi t là ch t th i r n h u c t quá trình tr ng tr t (CTR tr ng tr t) 2. N I DUNG nh r m r , bã mía, thân mì, các lo i v ,..., và ch t th i r n 2.1 T ng quan v VSV trong tái ch CTR nông nghi p h u c t quá trình ch n nuôi (CTR ch n nuôi) nh phân t gia súc, gia c m,...Theo s li u c a m t nghiên c u, n m 2.1.1 Khái ni m 2015 t i Vi t Nam, c tính có kho ng 83,4 tri u t n CTR VSV là nh ng sinh v t có kích th c r t nh , không quan tr ng tr t [3]. V i thành ph n c u t o ch y u là hydrat sát c b ng m t th ng mà ph i s d ng kính hi n vi. cacbon (35 - 50% cellulose, 15 – 30% hemicellulose và 10 - Chúng có c u t o n bào ho c a bào, có nhân s ho c nhân 25% lignin) [3], cách x lý truy n th ng là t CTR tr ng th c. Thu t ng VSV là danh t chung cho t t c các loài này tr t (làm nhiên li u hay t b ) ho c th i b phân h y t nhiên, các khí CO2, CH4, ... c t o ra, góp ph n gây hi u [4]. Tuy nhiên, trong tái ch ch t th i, hai loài VSV c ng nhà kính gây ô nhi m môi tr ng không khí. iv i quan tâm nghiên c u nhi u là vi khu n và n m. Vi khu n và n m là nh ng VSV chính phân gi i các ch t trong t CTR ch n nuôi, v i thành ph n ch y u là các protein, lipit, nhiên. ch t x , các vi sinh v t (VSV) gây b nh nh E. coli, Salmonella, Coliform, ...vi c bón phân chu ng tr c ti p hay Received: May, 10, 2018 qua quá trình s sài, không úng yêu c u s t o ra ch t Accepted: June, 9, 2018 l ng phân h u c kém, gây nh h ng n s sinh tr ng, *Corresponding Author phát tri n c a cây tr ng và ti m n nguy c d ch, b nh cho Email: pham8384@gmail.com 48 T p chí Khoa h c L c H ng
Phan Th Ph m Vi khu n (bacteria) ôi khi còn c g i là vi trùng, là nhóm các VSV nhân s , n bào. Chúng là nhóm hi n di n ông o nh t và kh p m i môi tr ng trong sinh gi i. c tính kho ng 40 tri u t bào vi khu n trong m t gram t và hàng tri u t bào trong m t ml n c ng t. Trên Trái t, có kho ng 5×1030 vi khu n. Vi khu n có vai trò quan tr ng trong phân gi i các ch t [4,5]. Nhóm VSV áng quan tâm th hai trong tái ch ch t th i là n m. N m (fungi) bao g m nh ng sinh v t nhân chu n. Ph n l n n m phát tri n d i d ng các s i a bào cg i là s i n m (hyphae), t o nên h s i (mycelium), m t s n m l i phát tri n d i d ng n bào. Nh ng i di n tiêu bi u c a n m là n m m c, n m l n (th ng là n m phân gi i các ch t ph c t p thành n gi n) và n m men (lên men các ch t thành r u, acid,…). Theo c tính, n m có kho ng 1,5 tri u loài [6,7]. 2.1.2 Ho t ng phân gi i CTR nông nghi p c a VSV Vi sinh v t có th th c hi n vi c tái ch CTR nông nghi p nh ho t ng trao i ch t, c th là phân gi i các ch t th i h u c ban u. Hai quá trình c b n c a ho t ng phân gi i CTR nông nghi p c a VSV là th y phân và lên men. Quá trình th y phân Trong t nhiên có nhi u nhóm VSV c hi u khí và k khí có kh n ng th y phân cellulose và hemicelluloses có trong CTR nông nghi p nh các h enzyme ngo i bào. Các nhóm Hình 2. Ho t ng c a các enzyme cellulose vi khu n có kh n ng phân gi i cellulose và hemicelluloses (ph ng theo [3]) trong lignocelluloses nh Arzotobacter, Achromobacter, Các m h u c hay protein có trong CTR ch n nuôi c Pseudomonas, Cellulomonas, Sorangium, …(vi khu n hi u phân gi i b i enzyme protease c a vi khu n Bacillus khí). M t s vi khu n k khí tham gia vào quá trình phân gi i mycoides, B. subtilis, Pseudomonas fluorescens, Clostridium cellulose, i n hình là các vi khu n trong d c c a ng v t sporogenes, ..., vi n m có Aspergillus oryzae, A. niger,... Qua nhai l i: Ruminococcus flavefeciens, Clostridium quá trình th y phân, các d ng nit h u c c chuy n hoá cellobioparum, Cillobacterium cellulosolvens,…. Ngoài ra thành d ng các acid amin, NH4+ ho c NH3 [8,9]. còn các n m nh Aspergillus, Trichoderma, Fusarium, M t ch t khác c ng th ng có m t trong CTR ch n nuôi Ceratocystis sp.,…, trong ó áng chú ý là Trichoderma, là lipid hay còn g i là d u và ch t béo. Có nhi u vi sinh v t c nghiên c u tách chi t enzyme nhi u. Thông th ng, có kh n ng ti t các enzyme lipase phân gi i lipid. Các m i VSV ch ti t m t hay m t s enzyme c n thi t cho quá VSV tiêu bi u là Clostridium Acinetobacter, Bacillus,… S n trình phân gi i lignocellulose. Do ó, các VSV th ng t n ph m c a quá trình th y phân lipid là glycerol và acid béo t i cùng nhau, hình thành các h VSV quá trình phân gi i [8,9]. hi u qu . S n ph m chính c a quá trình th y phân này là các Quá trình lên men ng (Hình 1 và 2) [8,9]. Lên men th c ch t c ng là quá trình gi i các ch t. M t s ch t h u c c t o ra t CTR nông nghi p sau khi c th y phân s c lên men hi u khí ho c k khí thành các s n ph m m i. Tùy s n ph m th y phân t o thành mà s x y ra các quá trình lên men khác nhau và s n ph m t o thành c ng khác nhau. Tuy nhiên, có b n quá trình lên men chính là lên men r u, lên men acid, lên men hydro và lên men metan. Lên men r u là quá trình phân h y k khí ng thành r u và khí carbonic d i tác d ng c a VSV mà i n hình là n m men Saccharomyces cerevisiae (lên men ethanol), Clostridium acetobutylicum (lên men butanol) [8,9]. Lên men acid là quá trình chuy n hóa k khí hay hi u khí ng hay r u thành các acid d i enzym c a các VSV. Lên men lactic là quá trình chuy n hóa k khí ng thành acid lactic nh các vi khu n lactic nh S. lactis, Lactobacillus bulgaricus, L. lycopersici, …. Lên men citric là quá trình oxy hóa (lên men hi u khí) ng thành acid citric d i tác d ng c a các VSV nh n m m c Aspergillus niger. Lên men acetic là quá trình oxy hóa r u etylic và các acid h u c khác thành acid acetic do VSV nhóm Acetobacter nh A. aceti, A. xillinum, …[8,9]. Hình 1. Ho t ng c a các enzym hemicelluloses Lên men hydro th c ch t là quá trình lên men acid acetic (ph ng theo [3]) t r u etylic và các acid h u c khác [8,9]. Khí hydro là s n ph m i kèm c a các quá trình lên men này. T p chí Khoa h c L c H ng 49
ng d ng vi sinh v t trong tái ch ch t th i r n nông nghi p Lên men metan là quá trình chuy n hóa r u, axit h u c T CTR nông nghi p, nh ho t ng c a các VSV, m t s và hydro thành CH4 và các ch t khác. Vi khu n sinh metan nhiên li u sinh h c có th c s n xu t nh ethanol l ng là nh ng vi khu n k khí b t bu c. Các vi khu n lên men (lên men r u), khí hydro (lên men hydro), khí metan (lên metan th ng g p g m nhóm Methylotrophic methanogen, men metan),… Acetotrophic methanogen và Hydrogenotrophic S n xu t ethanol sinh h c methanogen,…[8,9]. CTR tr ng tr t có th c tái ch thành ethanol sinh h c Ngoài th y phân và lên men, CTR nông nghi p còn tr i th h hai vì có ch a thành ph n cellulose và hemicelluloses. qua m t s quá trình phân gi i khác nh phân gi i ph t pho Nh ã c p ph n tr c, cellulose và hemicelluloses s h u c . D i tác d ng c a VSV phân gi i ph t pho h u c t o ra ng glucose và xylose khi b th y phân và sau ó nh các loài thu c chi Bacillus, Pseudomonas,…ph t pho m t s VSV s s d ng các ng này t o ra ethanol sinh h uc s c chuy n hóa thành ph t phô vô c d ng PO43- h c [3]. Enzym th y phân th ng c thu t các loài n m . Tuy nhiên, ây là lo i ph t pho khó tan nên cây tr ng không s i nh Trichoderma reesei hay Aspergilus niger ho c c h p thu c. Do ó các VSV l i ti p t c chuy n ph t pho hai, t vi khu n nh Clostridium thermocellum và nhi u loài d ng PO43- sang H2PO4-, HPO42- cây tr ng có th h p thu khác. Các VSV có kh n ng chuy n glucose và/ho c xylose c [8,9]. thành ethanol nh Saccharomyce cerevisiae, Zymomonas mobilis, Candida shehatae, Pichia stipites,…. Ngoài ra, 2.2 ng d ng VSV trong tái ch CTR nông nghi p t i trong t nhiên v n có m t s VSV có th t o ra các enzyme Vi t Nam th c hi n ng th i quá trình th y phân và lên men nh ng 2.2.1 S n xu t phân h u c hi u su t ch a cao [3]. S n xu t khí sinh h c hydro và metan S n xu t phân h u c là m t ng d ng VSV vào tái ch Khí hydro và metan là hai khí sinh h c c quan tâm CTR nông nghi p ã c áp d ng t r t s m. Phân h u c trong tái ch CTR nông nghi p. Do CTR nông nghi p có k t h p ng th i CTR tr ng tr t và ch n nuôi. CTR tr ng ch a các hydrat cacbon, protein, lipid nên khi th y phân s tr t là ngu n cung c p cacbon h u c chính cho phân, CTR t o ra các ng, các acid h u c ,…. T các ch t trung gian ch n nuôi cung c p ch y u ngu n nit và ph t pho cho phân này, qua các quá trình lên men b i vi sinh v t ã c trình [10,11]. CTR tr ng tr t và ch n nuôi s c chuy n thành bày m c 2.1.2, nhiên li u sinh h c khí hydro và metan có phân h u c qua quá trình . Nh ho t ng phân gi i các th c t o thành. Quá trình lên men hydro và metan t ch t c a VSV có s n trong CTR hay c b sung thêm t CTR nông nghi p c mô t tóm t t hình 3. các ch ph m sinh h c, các h p ch t cacbon hydrat, protein,… ch a n nh s c chuy n hóa thành d ng n nh, t t cho cây tr ng. Ngoài ra, trong quá trình ho t ng phân gi i các ch t c a VSV, nhi t c ng c sinh ra, làm nhi t c a kh i t ng, giúp tiêu di t các m m b nh nh giun, sán, E. coli, Salmonella, Coliform,…. m b o vi c tái ch CTR nông nghi p thành phân h u c t hi u qu t t, c n chú ý n k thu t, các thông s c a quá trình . M t s thông s quan tr ng c a quá trình phân h u c c trình bày trong B ng 1. B ng 1. Các thông s quan tr ng trong quá trình s n xu t phân compost Thông s Giá tr Kích th c v t li u (cm) 1-5 T l C/N (%) 25 - 30 m (%) 50 - 60 pH 6-8 Nhi t (oC) 50 - 60 (Ngu n: [9,10]) Ngoài vi c cung c p các ch t c n thi t m t cách an toàn cho cây tr ng, phân h u c sinh h c t ch t l ng còn giúp Hình 3. Quá trình lên men hydro v metan t duy trì m c a t, tránh th t thoát n c và xói mòn t CTR nông nghi p do h các ch t mùn có tính keo [11]. Do ó, bón phân h u c Tuy l ng CTR nông nghi p phát sinh t i Vi t Nam h ng sinh h c s ti t ki m n c t i, giúp ng phó v i tình tr ng n m r t l n nh ã trình bày ph n 1, vi c tái ch CTR nông thi u n c do bi n i khí h u. Nh v y, vi c tái ch CTR nghi p thành nhiên li u sinh h c t i Vi t Nam còn nhi u h n nông nghi p thành phân h u c là h ng i có ý ngh a th c ch , ch y u d ng nghiên c u mà ch a c tri n khai th c ti n và ã c áp d ng nhi u n i h ng t i s n xu t ti n [3], do nh ng rào c n v chính sách, công ngh c ng nh nông nghi p s ch, b n v ng và thân thi n v i môi tr ng. quan ni m c a ng i Vi t Nam v b o v môi tr ng, tái ch ch t th i và s d ng n ng l ng sinh h c. C ng chính vì v y, 2.2.2 S n xu t nhiên li u sinh h c Vi t Nam r t có tri n v ng v tái ch CTR nông nghi p thành Nhiên li u sinh h c (Biofuels) là nhiên li u c hình nhiên li u sinh h c th h hai trong t ng lai. thành t các h p ch t có ngu n g c ng th c v t nh ng 3. K T LU N c c, ch t béo ng th c v t (nhiên li u sinh h c th h m t), ch t th i sinh kh i (nhiên li u sinh h c th h hai) và t t o V i s a d ng v ch ng lo i và quá trình phân h y các (nhiên li u sinh h c th h ba). Nh v y, nhiên li u cs n ch t, VSV có th bi n i CTR nông nghi p thành nhi u s n xu t t CTR nông nghi p là nhiên li u sinh h c th h hai. ph m có ích nh phân h u c , các nhiên li u sinh h c ph c 50 T p chí Khoa h c L c H ng
Phan Th Ph m v cho nông nghi p nói riêng và xã h i nói chung. Do ó, s [6] Calvez, L.T.; Burgaud, G; Mahé, S; Barbier, G.; d ng VSV tái ch CTR nông nghi p là gi i pháp mang Vandenkoornhuyse, P. Fungal diversity in deep sea nhi u ý ngh a. hydrothermal ecosystems. Applied and Environmental Microbiology, 2009, 75 (20), 6415–6421. 4. TÀI LI U THAM KH O [7] Hawksworth, D.L. The fungal dimension of biodiversity: magnitude, significance, and conservation. Mycological [1] Food and Agriculture Organization of the United Nations. Research, 1991. 95, 641-655. Global agriculture towards 2050, 2009 [online] [8] Gibson, D.T. Microbial Degradation of Organic Compounds. http://www.fao.org/fileadmin/templates/wsfs/docs/Issues_pap CRC Press; 2003. ers/HLEF2050_Global_Agriculture.pdf. Lê Phi Nga, Hoàng Th Thanh Th y, inh Xuân Th ng, [2] PBL Netherlands Environmental Assessment Agency. Food Nguy n Nh Hà Vy. Giáo trình công ngh sinh h c môi tr ng: Security In Sub-Saharan Africa: An Explorative Study, 2012. Lý thuy t và ng d ng. Nh Xu t b n Th nh ph H Chí Minh, [online] http://www.pbl.nl/en/publications/2012/food-security- 2014. in-sub-saharan-africa-an-explorative-study. [10] Mai C m Vi, Tr n Lê Nguyên, Phan Th Ph m. Xác nh [3] Phan Th Ph m, Lê Th Thu H ng, oàn Th Tuy t Lê, Lê Phú ngu n dinh d ng b sung phù h p cho quá trình phân h u ông. S chuy n i sinh kh i lignocellulose: T ph th i n c t rác cây xanh ô th . T p chí Khoa h c L c H ng, 2019, 7. nguyên li u ti m n ng cho s n xu t ethanol sinh h c th h th [11] Tr n Bá Linh và Võ Th G ng. nh h ng c a phân h u c hai t i Vi t Nam. T p chí Khoa h c L c H ng, 2017, S c n kh n ng gi n c và b n c u trúc c a t tr ng cây n bi t, 159-164. trái, cây tiêu và rau màu ng b ng sông C u Long, Bình [4] Schulz, S.; Brankatschk, R.; Dumig, A. Kogel-Knabner, I.; D ng và à L t. T p chí Khoa h c Tr ng i h c C n Th , Schloter, M.; Zeyer, J. The role of microorganisms at different 2013, 25, 208-213. stages of ecosystem development for soil formation. Biogeosciences, 2013, 10, 3983–3996. [5] Kwaasi, A.A. Microbiology in encyclopedia of food sciences and nutrition. Academic press. 2003, 3877–3885. T p chí Khoa h c L c H ng 51